无刷直流电机性能测试技术研究

Posted 2021-03-29 无刷电机专业制造商

        【摘要】 以充分利用PIC单片机内部模块，提出一种无刷直流电机性能测试系统的设计方案，来提高无刷直流电机的可靠性。

        

        【发表时间】2016/1/12

 

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摘要：以充分利用PIC单片机内部模块，提出一种无刷直流电机性能测试系统的设计方案，来提高无刷直流电机的可靠性。在详细介绍PIC18F4431单片机的基础上设计无刷直流电机性能测试系统，主要对转矩转速测试方法、电枢电阻的动态测试技术、电流和温度测试电路进行阐述。测试系统测量精度高、可靠性好，能够实现无刷直流电机的性能测试。

关键词：无刷直流电机；性能测试；技术研究

 

 

前言

 无刷直流电机具有结构简单、输出转矩大、调速范围宽、高速率、高效率、长寿命等特点，在航空航天、军事、农业机械和智能化电器等领域具有广泛应用。在无刷直流电机研发、生产、运行过程中需要对其主要性能参数进行测试，以验证电机是否满足设计指标或者能否继续运行。电力电子技术和现代测试方式的发展，为提高测试系统精度和效率提供了可能。开展无刷直流电机性能测试技术的研究对于提高电机性能、保证电机运行的安全性和可靠性具有重要的意义。

1.无刷直流电机

1.1无刷直流电机的设计理念概述

 在西方国家，无刷直流电机技术水平已较为成熟，但是在我国，目前无刷直流电机的研究起步相对较晚，因而自然在研究与应用的过程中也存在诸多不足，与西方技术先进的国家存在很大的差距，同时理论研究上也有可提升的空间。

如果想对无刷直流电机有更为深入的了解，就必须对无刷直流电机与其他电机之间的差距与设计上的区别进行研究，才可以全面地对相关设计细节掌握。下面我们把无刷直流的电机及异步电动机和永磁同步机等进行比较，以对无刷直流电机在设计上的独特性进行分析研究。

1.2无刷直流电机的工作原理

 无刷直流电机的工作原理较为复杂。它主要是应用永磁电机功率为120，对于导通型的半桥逆变的电路，在电机工作的时候，永磁转子的磁极作为定子在0相的电枢中产生梯形的反电动势，而驱动电压则不一样，为准矩形。在360度的范围里，电枢能够绕组进行6次的转换。

1.3无刷直流电机的绕组联接与换相的方式

 目前，对于无刷直流的电动机，一般情况应用的是三对相对称的绕组，但是因为此三项绕组不仅能够连接星型，同时，还能够进行角型的连接。

2.无刷直流电机的处理器介绍

 依据控制系统精度的要求以及传感器输出信号的特征，测试系统核心处理器选取PIC18F4431单片机。此单片机是microchip推出的18F系列专门用于电机运动控制的单片机，拥有10为200Ksps高速A/D转换器，具备9个A/D转换通道，能够双通道在同一时间内采样，可以对采样时间进行设置。PIC18F4431单片机能够选择外部转换触发器，具备三个独立的输入捕捉通道和霍尔传感器专用接口。在增强的PIC18F4431单片机具有16KbyteFLASH（能存储多达8192条指令），256byteEEPROM和768byteSRAM三种类型存储器。

3.无刷直流电机的测试系统整体设计

 在无刷直流电机的性能测试系统中，应用测试集成的设计思想，把过去产的测试技术与现代计算机技术结合一起，利用计算机软件使数据处理和性能曲线拟合得以完成。应用PIC18F4431单片机作为测试系统核心，以整流单元、IPM模块、隔离驱动单元、负载、传感器（转矩传感器、转速传感器、电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器）、通讯模块和计算机组成，结构框图如图1所示。

 

4.无刷直流电机的测试系统实现

4.1电压、电流测量

 应用VSM025A系列霍尔电压传感器测量线路电压，该传感器采取霍尔效应闭环原理，能够在隔离的情况下，对脉冲、直流、交流及各种不规则波形的电压进行有效的测量，测量范围为Vp=10～500V。应用磁耦合的方式对电流进行测量，应用LEM公司的LA58-P电流传感器测量电枢绕组电流，这一种传感器具备着很多优点，例如线性度好、频带宽、温漂低及抗干扰强等，它的可测量电流可达50A。

电压及电流传感器的输出信号经过电阻转变为电压信号，在经过运算放大器OP27把电压调整到单片机可接收的信号，与此同时，为了使单片机输入信号的幅值得到限制，在信号输入端设置二极管限幅电路，传感器输出与单片机接口电路如图2所示。

 

4.2转矩、转速测量

 电机的运行速度和输出扭矩是衡量电机性能的重要指标，测试系统选用CGNJ2801A型动态扭矩传感器对转速、扭矩量进行测量，扭矩测量范围0～100Nm，转速测量范围0～4500r/min，测量精度为0.5%。该传感器采用一组环形变压器提供电源，利用微功耗信号耦合器非接触传递信号，可以精确传递静态扭矩信号和旋转扭矩信号。传感器的输出为4～20mA或0～5V的模拟信号，然后经过信号调理单路后发送给单片机。

4.3电枢电阻的动态虚拟测试

 无刷直流电机电枢的等效电阻R由三部分组成，分别为线圈、开关以及换向电阻，且根据动态和静态的区别，对于静止状态来说，只可以对出线端的线圈电阻进行测试，而动态时测试结果则为三部分电阻的总 和，在动态的条件下对电枢电阻进行测试，结果更能突出电机的性能。

通过计算得到无刷直流电机电枢的等效电阻，解决了无法直接测量的问题，该公式适用于三相六状态无刷直流电机。

4.4温度测量

 电机外壳和转子表面的温度测试考核电机运行状态的重要性能指标，温度测试对于电机内部故障和温度场分析具有重要的意义。

 近年来红外测温技术不断发展，红外测温技术利用热释效应将热信号转变为电信号，它具有反应灵敏、测温范围宽、不需要直接接触被测物等优点，在电机温度测试领域也具有一定的应用。测试系统选择OS136-V1型温度传感器，传感器输出0-5V直流电压信号，光谱响应距离为5-14微米，响应时间为150毫秒。

5.总结语

 无刷直流电机性能测试系统将单片机与现代测试技术相结合结，利用高精度传感器能够测量电机的电压、电流、转矩、转速和温度等反映电机性能指标的参数，同时可以计算得到电枢的等效电阻值。系统结构简单、测量精度高、可靠性好，是无刷直流电机性能测试的理想选择。

参考文献：

[1]王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社

[2]陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术

[3]张文海.无刷直流电动机电枢等效电阻的虚拟测试[J].微特电机